Создавая космические технологии мирового уровня

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП) – вуз с почти 80-летней историей и уникальным в мировой научно-образовательной практике профилем. Целый ряд достижений отечественной космонавтики стал возможным благодаря сотрудникам и выпускникам ГУАП. На протяжении многих лет тесные партнерские отношения в научно-исследовательской и образовательной сферах связывают университет с ведущим российским разработчиком и производителем спутников связи, телевещания, ретрансляции, навигации и геодезии – АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва». Подробнее о плодотворном сотрудничестве с АО «ИСС» рассказывают ректор ГУАП, д.э.н., профессор Юлия Анатольевна Антохина и заведующий кафедрой Аэрокосмических компьютерных и программных систем, директор Института высокопроизводительных компьютерных и сетевых технологий ГУАП, д.т.н., профессор Юрий Евгеньевич Шейнин.

ГУАП и АО «ИСС» постоянно обмениваются опытом и проводят совместные научные исследования и опытно-конструкторские разработки по приоритетным направлениям космической техники и космических технологий. Огромный опыт решетнёвцев в создании и эксплуатации автоматических космических аппаратов, визионерский взгляд генерального директора АО «ИСС» Николая Алексеевича Тестоедова на развитие космической техники позволяют ставить перспективные цели и концептуально новые научные задачи создания и применения прогрессивных космических технологий. Научный потенциал ГУАП, опыт исследований и практических разработок передовых проектов в интересах космической отрасли, объединяясь с возможностями АО «ИСС», дают синергетический эффект – и в результате рождаются технологии мирового уровня, обеспечивающие конкурентоспособность космических аппаратов и услуг АО «ИСС».

Сформированный в АО «ИСС» несколько лет назад Центр системного проектирования бортовой аппаратуры под руководством Дмитрия Валерьевича ДЫМОВА осуществляет координацию комплекса совместных работ по широкому спектру систем и технологий для космических аппаратов АО «ИСС».

ГУАП и АО «ИСС» совместно разрабатывают системообразующие сетевые технологии для бортовых комплексов управления и бортовой аппаратуры космических аппаратов, в том числе технологии SpaceWire, SpaceFibre, пристально занимаются вопросами их применения и развития, включая разработку российских и международных стандартов и другой нормативной документации. На основе технологии SpaceWire, SpaceFibre создаются самонастраивающиеся распределенные сетевые структуры комплексов бортового оборудования космических аппаратов, в том числе с развитием концепции Plug-and-Play – для бортовых систем космических аппаратов АО «ИСС» нового поколения.

Разрабатывается реконфигурируемая программируемая телекоммуникационная полезная нагрузка космических аппаратов – как для малых космических аппаратов, так и для спутников длительного автономного функционирования, с адаптацией в течение всего жизненного цикла спутника к новым алгоритмам обработки сигналов и новым телекоммуникационным стандартам, обеспечивающим надежную и высокоскоростную передачу информации при глобальном покрытии (включая мобильные коммуникации поколения 5G).

Эффективное взаимодействие ГУАП и АО «ИСС» содействует повышению престижа получения инженерно-технического образования в РФ и привлечению в науку и на производство космической техники молодых профессиональных кадров. ГУАП в сотрудничестве с ведущими профильными специалистами АО «ИСС» формирует предметно-ориентированные учебные магистерские и аспирантские образовательные программы для целевой подготовки кадров. Эксперты АО «ИСС» ставят задачи и консультируют студенческие коллективы ГУАП по вопросам выполнения исследовательских проектов в интересах предприятия. Профессора и доценты ГУАП осуществляют научное консультирование сотрудников ОА «ИСС», магистрантов и аспирантов предприятия. Публикуются совместные научные статьи в ведущих научно-технических журналах, делаются совместные доклады на международных конференциях, оформляются совместные патенты на изобретения, внедряющиеся в производство космических аппаратов на АО «ИСС».

В числе примеров совместных разработок мирового уровня, выполненных совместно ГУАП и АО «ИСС», – транспортный протокол СТП-ИСС для бортовых сетей космических аппаратов и технические средства его реализации.

Новый транспортный протокол обеспечивает информационно-управляющее взаимодействие бортовой аппаратуры по сети SpaceWire для космических аппаратов длительного автономного функционирования АО «ИСС» им. академика М. Ф. Решетнёва». Он существует в двух редакциях, отличающихся разными наборами механизмов и сложностью их реализации, и предоставляет следующие типы качества сервиса: приоритетный, гарантированная доставка данных, планирование, негарантированная доставка данных.

СТП-ИСС определяет три типа пользовательских данных: команды управления, информационные сообщения, системные коды (распределенные прерывания, метки времени SpaceWire). Пакеты информационных сообщений и команд управления защищены контрольной суммой CRC-16. Для каждого пакета задается таймер времени жизни пакетов, который определяет актуальность пакета для отправки в сеть.

СТП-ИСС определяет набор конфигурационных параметров, которые обеспечивают гибкость настройки. Предоставляется возможность отключать или даже не реализовывать отдельные механизмы СТП-ИСС. Таким образом, СТП-ИСС имеет несколько различных профилей реализации. Это может быть полезно для различного типа узлов сети. Например, обычный датчик может не содержать сложных механизмов, таких как гарантированная доставка данных или планирование.

Во второй редакции протокола СТП-ИСС определяются транспортные соединения (ТС). Механизм ТС позволяет устанавливать до 16 ТС: по 8 соединений в каждом направлении передачи данных. Также в рамках данного механизма выполняется контроль потока данных посредством кредитования.

Во вторую редакцию СТП-ИСС включены 4 дополнительных механизма: качество сервиса «с планированием», передача данных с установкой соединения, контроль потока данных и обнаружение повторных пакетов командуправления. Первая редакция намного проще и компактней в реализации, зато вторая предоставляет больше возможностей. Тем не менее, сохранена обратная совместимость этих редакций.

Для проведения верификации и тестирования механизмов, предложенных в протоколе СТП-ИСС-13, были разработаны три модели: С++ референс-код; SDL модель; сетевая SystemC модель.

Под референс-кодом понимается программная реализация протокола транспортного уровня СТП-ИСС на языках С++ и С, которая представляет собой программный код, наиболее точно соответствующий спецификации протокола. Он описывает логическую структуру протокола, его интерфейсы и внутренние механизмы протокола, тестовое окружение, которое позволяет проверить функционирование протокола в различных условиях. Язык SDL использовался для написания спецификации и моделирования СТП-ИСС. Разработанная SDL-модель отражает структуру протокола СТП-ИСС и формально описывает все механизмы и функциональности, которые заявлены в спецификации СТП-ИСС. Целью разработки сетевой модели СТП-ИСС является имитация сетевого взаимодействия устройств (коммутаторов и узлов) через каналы SpaceWire. Она разрабатывалась на языке SystemC и состоит модели протокола SpaceWire (узлы, коммутаторы и каналы с помехами), модели протокола СТП-ИСС и генераторов различных тестовых последовательностей для тестирования СТП-ИСС и сетевого взаимодействия устройств.

Для обеих версий протокола СТП-ИСС были разработаны IP-блоки, описывающие референсную реализацию и предназначенные для проверки работоспособности механизмов протокола СТП-ИСС при аппаратной реализации. IP-блок СТП-ИСС разработан как конфигурируемое IP-ядро таким образом, чтобы была возможность исключать его компоненты. 

Реализованный для СТП-ИСС референс-код лег в основу рабочего места аппаратно-программной отработки СТП-ИСС (РМ АПО-С). Референс-код может генерировать различные типы пакетов, и объект тестирования должен отвечать на них, на основании чего можно сделать вывод, работает ли тестируемое устройство в соответствии со спецификацией СТП-ИСС или нет. Программное обеспечение РМ АПО-С состоит из тестового окружения; референс-кода; модуля генерации ошибок; драйвера к аппаратуре. Для связи компьютера со SpaceWire устройством используется SpaceWire USB Brick или SpaceWire-Ethernetbridge.

Еще один пример – SANDS (SpaceWire Automated Network Design and Simulation). Это новейший программный комплекс автоматизированного проектирования бортовых сетей на основе технологии SpaceWire. Специалисты АО «ИСС» определили требования к проектируемой системе, активно участвовали в определении ее технического облика, сопровождали ведущуюся разработку, оценивая созданные методы и программные инструменты, апробируя их на разрабатываемых АО «ИСС» перспективных комплексах бортовой аппаратуры.

SANDS поддерживает полный цикл разработки и моделирования бортовых сетей, который начинается с автоматизированной генерации топологии сети и завершается получением результатов моделирования работы, статистики и различных диаграмм, отражающих работу и характеристики спроектированной сети. 

Архитектура предложенной САПР состоит из четырех основных компонентов: компонент проектирования физической структуры и оценки физических характеристик сети; компонент прокладки маршрутов передачи данных в сети; компонент генерации таблиц планирования транспортного протокола СТП-ИСС для передачи данных с качеством сервиса Планирование; компонент моделирования работы сети со всеми данными, которые компонент получил от работы трех предыдущих компонентов и графического интерфейса.

Каждый узел моделируемой сети включает модель протокола SpaceWire и двух протоколов транспортного уровня: RMAP и СТП-ИСС – двух основных транспортных протоколов, которые планируются к использованию в космической индустрии. Коммутаторы в сети функционируют в соответствии со стандартами SpaceWire и SpaceWire-RUS. Для будущих реализаций SANDS планируется дать возможность добавлять другие протоколы (например, SpaceFibre).

Визуализация и графический интерфейс использованы из проекта VIPE project. Графический интерфейс (GUI) обеспечивает визуализацию составления сети и возможности управления ей. Он позволяет собирать сеть в интерактивном режиме из различных компонентов. Библиотека компонентов – множество сетевых узлов и коммутаторов, соответствующих физическим реализациям, которые доступны для построения сетей. Она может также включать гибкие настройки, если разработчик хочет попробовать различные комбинации сетевого оборудования. Для всех узлов, коммутаторов и каналов GUI предоставляет конфигурационный интерфейс для настройки параметров, конфигурации транспортных протоколов и генераторов трафика уровня приложений. GUI также отображает результаты моделирования на сетевой структуре и на графиках и диаграммах. 

Подобное программное обеспечение для проектирования и моделирования дает возможность  проектировщикам космических аппаратов создавать бортовые сети SpaceWire со всеми их техническими характеристиками и особенностями, распределять потоки данныхв них и моделировать их работу, принимая во внимания задержки, ошибки в каналах и т. п. Более того, SANDS предоставляет результаты работы в удобной и понятной форме.

Разработанный комплекс средств проектирования бортовых сетей космических аппаратов передан на эксплуатацию в АО «ИСС», с перспективой дальнейшего широкого внедрения на предприятиях космической отрасли в России и за рубежом.